JP7423509B2 - 絶縁ワイヤ、コイル及び電気・電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁ワイヤ、コイル及び電気・電子機器に関する。
導体が絶縁皮膜で被覆された絶縁電線は、各種の電気・電子機器に組み込まれるコイルに使用される。コイルは、モータや変圧器に代表される電気・電子機器に特に多く使用されている。近年、電気・電子機器の小型化及び高性能化に伴い、絶縁電線が非常に狭い部分へ押し込まれるようになっている。これにより、ステータのスロット断面積に占める全導体の断面積(各絶縁電線の導体断面積の合計)の比率(導体占積率)が非常に高くなってきている。ステータにおけるスロット中の導体占積率により、電気・電子機器の性能が決定するといっても過言ではない。
ステータにおけるスロットの内部に、丸断面の絶縁電線を細密充填した場合、デッドスペース(絶縁電線間の空間)が存在する。このような丸断面の絶縁電線に対して、占積率を向上させるため、導体の断面形状が四角形(正方形や長方形)に類似した平角線の絶縁電線が用いられるようになってきた。平角線の使用は、丸断面の絶縁電線と比較して、デッドスペースを減少させことにより、ステータにおけるスロット中の導体占積率を向上させることがきる。
また、絶縁皮膜の断面積を小さくすることで、ステータにおけるスロット中の導体占積率の向上が望める。しかし、絶縁皮膜の断面積を小さくすると、その電気的な性能(絶縁破壊特性など)を犠牲にする恐れがある。
このような状況に鑑み、特許文献1には、絶縁紙を省略したステータのスロットおよび/または隣接する絶縁電線間のコロナ特性を向上させ、絶縁皮膜を薄肉化し、さらに傷が付きにくい巻線用の絶縁電線が記載されている。この絶縁電線は、導体上に直接または間接に熱可塑性樹脂被覆層が形成され、該熱可塑性樹脂被覆層の最外層に突起が設けられている。
特開2008-288106号公報
特許文献1記載の発明は、絶縁皮膜の断面積を小さくしても、絶縁紙を省略したステータのスロットにおいて、上記性能を発現する。しかし、絶縁電線のコイルを形成するための曲げ加工性についてさらに向上させる余地がある。
また、近年、モータ効率を向上させるために高い電流を流す設計となっているコイルが多く、これにより、従来よりも多くのジュール熱が発生する。コイルが高温になると渦電流損が発生し、モータ効率が低下する。そのため、コイルの温度上昇を抑制することが求められる。
本発明は、断面積に占める導体占積率が大きく、所望のギャップ面積を確保し、冷却液や気体により効率的に冷却することができるコイルを実現することができ、また曲げ加工性に優れる絶縁ワイヤを提供することを課題とする。また、本発明は、この絶縁ワイヤが巻線加工されたコイルを提供することを課題とする。また、本発明は、このコイルを用いてなる電気・電子機器を提供することを課題とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層を有する絶縁ワイヤにおいて、前記熱可塑性樹脂層の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に、前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有し、この突起部と該突起部を有する表面の平坦部とが、特定の曲率半径の曲部をなし、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有していることで、曲げ加工性に優れ、ステータのスロット中の導体占積率を向上させ、さらに、コイル加工された後でも冷却液や気体などが通りやすくするためのギャップ面積を確保することができることを見出した。本発明はこの知見に基づきなされるに至ったものである。
上記の課題は以下の手段により解決された。
<1>
平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する絶縁ワイヤであって、前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部とが曲率半径0.01~0.75mmの曲部を形成し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有していることを特徴とする絶縁ワイヤ。
<2>
前記突起部の側面が、前記突起部を有する表面の平坦部に対して1~80°の傾斜面を有する<1>に記載の絶縁ワイヤ。
<3>
前記突起部の高さが、30μm以上3000μm以下であることを特徴とする<1>又は<2>に記載の絶縁ワイヤ。
<4>
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を1つずつ有することを特徴とする<1>~<3>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<5>
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を2つずつ有することを特徴とする<1>~<4>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<6>
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分の表面に前記突起部を有する<1>~<5>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<7>
前記平角導体と前記熱可塑性樹脂層(A)との間に絶縁層(B)を有し、該絶縁層(B)が、熱硬化性樹脂からなる<1>~<6>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<8>
前記熱可塑性樹脂層(A)の平坦部の表面粗さRaが0.01μm以上0.5μm以下であることを特徴とする<1>~<7>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<9>
前記熱可塑性樹脂層(A)が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレートおよび/または熱可塑性ポリイミドで構成されることを特徴とする<1>~<8>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<10>
<1>~<9>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤが、巻線加工されたことを特徴とするコイル。
<11>
<10>に記載のコイルを用いてなることを特徴とする電気・電子機器。
本発明の絶縁ワイヤは、断面積に占める導体占積率が大きく、所望のギャップ面積を確保し、冷却液や気体により効率的に冷却することができるコイルを実現することができ、曲げ加工性(耐屈曲性)に優れる。本発明によれば、上記絶縁ワイヤを巻線加工したコイルを提供することができる。また、本発明によれば、上記コイルを用いてなる電気・電子機器を提供することができる。
絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した2つの突起部を有し、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した2つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有し、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の1つの短辺が、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の1つの長辺が、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有し、絶縁ワイヤ断面の1つの短辺が、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有し、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した2つの突起部を有し、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する、本発明の一実施形態に係る絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 比較例3で作製した絶縁ワイヤの模式的な断面図である。 本発明の絶縁ワイヤの一例において、長手方向に連続した突起部を有する形態の模式図である。 長手方向に不連続に形成された突起部を有する絶縁ワイヤの一例である。
(絶縁ワイヤ)
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する。本発明の絶縁ワイヤは、前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に、前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有する。本発明の絶縁ワイヤは、ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面とが、曲率半径0.01~0.75mmの曲部を有する。本発明の絶縁ワイヤにおいて、前記突起部の側面は、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有している。傾斜面は、突起部の中心に向けて傾斜している。前記絶縁ワイヤ断面は、長手方向に対して垂直な断面である。
以下、図1を参照して、本発明の絶縁ワイヤの一実施形態を説明する。
本発明の絶縁ワイヤ10は、平角導体1上に、被覆層として熱可塑性樹脂層2を有する。本発明の絶縁ワイヤ10は、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺に対応する部分の表面が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した2つの突起部を有する。これらの突起部は、該突起部を有する表面の平坦部に対して、90°未満の傾斜面5を有している。本発明の絶縁ワイヤ10は、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺に対応する部分の表面が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する。これらの突起部は、該突起部を有する表面の平坦部に対して、90°未満の傾斜面5を有している。本発明の絶縁ワイヤ10はその断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部との境界が、曲率半径0.01~0.75mmの曲部4をなす。
図8は、本発明の絶縁ワイヤの別の実施形態であり、平角導体1上に絶縁層3を有し、この絶縁層3上に熱可塑性樹脂層2を有すること以外は、図1に示す実施形態の絶縁電線と同じである。
なお、図1に示す実施形態の絶縁電線において、平角導体1と熱可塑性樹脂層2との間に、中間層(A1)を有してもよい。図5~7に示す実施形態の絶縁ワイヤも同様である。
図8に示す実施形態の絶縁ワイヤにおいて、平角導体1と絶縁層3との間に、中間層(A2)を有してもよい。また、絶縁層3と熱可塑性樹脂層2との間に、中間層(B1)を有してもよい。図2~4及び8に示す実施形態の絶縁ワイヤも同様である。
中間層(A1)、(A2)ないし(B1)は図示を省略する。
また、これらの各層は、1層であっても2層以上の複数層からなっていてもよい。
以下、平角導体から順に説明する。
<平角導体>
本発明の絶縁ワイヤに用いる平角導体としては、通常の絶縁ワイヤで用いられているものを使用することができ、銅線、アルミニウム線などの金属導体が挙げられる。好ましくは、銅線であり、より好ましくは、酸素含有量が30ppm以下の低酸素銅、さらに好ましくは20ppm以下の低酸素銅または無酸素銅の導体である。酸素含有量が30ppm以下であれば、導体を溶接するために熱で溶融させた場合、溶接部分に含有酸素に起因するボイドの発生がなく、溶接部分の電気抵抗が悪化することを防止するとともに溶接部分の強度を保持することができる。
本発明の絶縁ワイヤに用いられる平角導体は、断面形状が、平角形状である。平角形状の導体は円形のものと比較し、巻線時に、ステータのスロットに対する占有率が高い。従って、このような用途に好ましい。
平角導体は、角部からの部分放電を抑制するという点において、図1~8に示すように4隅に面取り(曲率半径r)を設けた形状であることが好ましい。曲率半径rは、0.6mm以下が好ましく、0.2~0.4mmの範囲がより好ましい。
平角導体の断面の大きさは、特に限定されないが、幅(長辺)は1.0~5.0mmが好ましく、1.4~4.0mmがより好ましく、厚み(短辺)は0.4~3.0mmが好ましく、0.5~2.5mmがより好ましい。幅(長辺)と厚み(短辺)の長さの割合は、1:1~4:1が好ましい。なお、本発明の絶縁ワイヤで使用する平角導体の断面は、幅と厚みが同じ長さ、すなわち、略正方形であってもよい。導体の断面が略正方形の場合、長辺は導体の断面の1つの対向する2つの辺の各々を意味し、短辺は別の対向する2つの辺の各々を意味する。
<熱可塑性樹脂層(A)>
本発明の絶縁ワイヤは、熱可塑性の樹脂からなる熱可塑性樹脂層(A)を有する。
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体上に直接、熱可塑性樹脂層(A)を有してもよく、中間層(A1)、絶縁層(B)及び/または中間層(B)を介して、押出被覆樹脂層として、熱可塑性樹脂層(A)を有してもよい。なお、中間層(A)及び(B)は、絶縁層(B)と同様にして形成することができる。絶縁層(B)の形成方法は後述する。
押出被覆樹脂層を設けることにより、部分放電発生電圧の高い絶縁ワイヤを得ることができる。
押出被覆法の利点は、製造工程で焼付け炉を通す必要がないため、平角導体の酸化皮膜層の厚さを成長させることなく熱可塑性樹脂層(A)の厚さを厚くすることができるということである。
押出被覆樹脂層に用いる樹脂は、熱可塑性の樹脂を使用し、なかでも耐熱性に優れた熱可塑樹脂を用いることが好ましい。
このような熱可塑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、熱可塑性ポリアミド(TPA)、熱可塑性ポリエステル(TPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、熱可塑性ポリイミド(TPI)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、変性ポリエーテルエーテルケトン(変性PEEK)等が挙げられる。
このうち、PEEKとしては、例えば、キータスパイアKT-820(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名)、PEEK450G(ビクトレックスジャパン社製、商品名)、変性PEEKとしては、アバスパイアAV-650(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名)、AV-651(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名)、TPIとしては、オーラムPL450C(三井化学社製、商品名)、PPSとしては、フォートロン0220A9(ポリプラスチックス社製、商品名)、PPS FZ-2100(DIC社製、商品名)、熱可塑性PAとしては、ナイロン6,6のFDK-1(ユニチカ社製、商品名)、ナイロン4,6のF-5000(ユニチカ社製、商品名)、ナイロン6,TのアーレンAE-420(三井石油化学社製、商品名)、ナイロン9,TのジェネスタN1006D(クラレ社製、商品名)等の市販品を挙げることができる。
なお、変性PEEKとしては、PEEKに対してPPS、PES、PPSU及び/又はPEIをアロイ化したもの等があり、例えば、ソルベイスペシャリティポリマーズ社製のアバスパイアAV-621、AV-630、AV-651、AV-722、AV-848等が挙げられる。
これらの熱可塑性樹脂のうち、PEEK、PPS、TPI、PENが好ましい。
なかでも、押出被覆樹脂層に用いる樹脂は、部分放電発生電圧を低くし、かつ耐溶剤性を考慮すると結晶性樹脂を用いることがさらに好ましい。
特に本発明の絶縁ワイヤは、コイル加工時に皮膜が損傷しにくいことが求められるため、結晶性で特に弾性率が高い変性PEEK、PEEK、PPSを用いることが好ましい。
なお、使用する熱可塑性樹脂は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を混合して使用してもよい。また、複数層の熱可塑性樹脂層(A)からなる積層押出被覆樹脂層の場合、各層で互いに異なった熱可塑性樹脂を用いても、異なった混合比率の熱可塑性樹脂を使用してもよい。
2種の熱可塑性樹脂を混合して使用する場合は、例えば両者をポリマーアロイ化して相溶型の均一な混合物として使用するか、非相溶系のブレンドを、相溶化剤を用いて相溶状態を形成して使用することができる。
押出被覆樹脂層の厚さは、特に制限されないが、30~300μmが好ましい。この厚さは、突起部を有さない状態での厚さ、すなわち、平坦部の厚さである。押出被覆樹脂層の厚さが小さすぎると、絶縁性が低下し部分放電劣化が生じやすくなりコイルとしての要求を満たせない。押出被覆樹脂層の厚さが大きすぎると、絶縁ワイヤの剛性が高くなりすぎ曲げ加工が困難になるとともにコストアップの原因にも繋がる。
本発明の絶縁ワイヤでは、前記押出被覆樹脂層の厚さは、50~250μmがより好ましく、60~200μmがさらに好ましい。
熱可塑性樹脂層(A)の平坦部の表面粗さRaは特に制限されないが、Ra0.01μm以上0.5μm以下であることが好ましい。この範囲にあることで、本発明の絶縁ワイヤは、冷却オイルによる冷却効率に優れる。
なお、本発明の説明において、表面粗さRaは、(株)東京精密製の接触式表面粗さ計サーフコムフレックス-50Aもしくは(株)キーエンス製の非接触式レーザー顕微鏡VK-X(いずれも商品名)によりJIS B 0601:2013に従って、下記測定条件で求めた値とする。
(測定条件)
Raを測定する長さ(測定長さ)についてはJIS B 0633:2001に記載されている評価長さの標準値にて測定を実施する。表面形状を正しく測定するために、必要に応じて、表面の付着物等はエアーブローにより除去、油等が塗布されている場合にはヘキサン等の有機溶剤を染み込ませたウエスにて軽く洗浄する。測定環境は温度25℃±5℃、湿度50%±10%とする。測定結果に影響するため、試料は皮膜への変形を加えないようにしつつ出来るだけ整直にする。測定は、測定長さ1点あたりのデータをN=1とし、N=10の平均値を使用することとする。
本発明の絶縁ワイヤは、絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面、すなわち、熱可塑性樹脂層(A)の表面に、前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有する。本発明の絶縁ワイヤは、ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する辺の平坦部とで形成される曲部の曲率半径が0.01~0.75mmであり、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有している。すなわち、前記絶縁ワイヤ断面において、突起部は、当該突起部を有する表面の平坦部に対して垂直に隆起する側面部分を有しない。
曲率半径が0.01~0.75mmであることにより、曲げ加工性の向上とギャップ面積の確保とを両立させることができる。
また、突起部が絶縁ワイヤの長手方向に連続していることにより、耐屈曲性を向上させることができる。
また、突起部が傾斜面を有しない、すなわち、突起部の側面が辺に対応する部分(平坦部)の表面に対して垂直であると、線材を曲げ加工したときに、突起部と平坦部が接触する部分(突起部と平坦部との繋ぎ目)に応力が集中し、押出被覆層に亀裂が入り、絶縁性を保持できない。
前記傾斜面の平坦部表面(基準面)に対する角度は、90°未満であればよく、ギャップ面積と加工性を両立して向上させるため、5~80°が好ましく、10~60°がより好ましい。上記角度の上限は、60°未満が更に好ましく、さらに曲げ加工性の観点から30°未満が特に好ましい。
本発明の絶縁ワイヤの断面の突起部を有する1つの辺において、突起部を設けない状態の平坦部の熱可塑性樹脂層(A)の膜厚(最小膜厚)をaμm、突起部の最大高さ部分における熱可塑性樹脂層(A)の膜厚(最大膜厚)をbμmとしたとき(1つの辺が複数の突起部を有する場合は各突起部の最大膜厚の平均をbμmとする)、a/bの値が0.60以上0.90以下であることが好ましい。従って、複数の辺が突起部を有する場合は、各々の辺において、a/bの値が0.60以上0.90以下であることが好ましい。
また、1つの辺に複数の突起部を有する場合、各々の突起部で、a/bの値が0.60以上0.90以下であることが特に好ましい。
ここで、最小膜厚は、上記のように、突起部を設けない状態での膜厚であり、同一辺上で、突起部が形成されていない部分の膜厚である。
なお、本発明の絶縁ワイヤにおいて、突起部とは、突起部の両側に膜厚が変曲点を示すもののみに限定されるものでない。例えば、辺の端部に突起部が設けられた場合のように、突起部が形成された辺の端部方向や短辺方向(厚み方向)に変曲点を示さないものをも包含する。また、本発明の絶縁ワイヤにおける突起部は、突起部と各辺の端部あるいは突起部と平坦部が滑らかに接続する。突起部と該突起部を有する辺の平坦部とが、曲率半径0.01~0.75mmの曲部を有する。この突起部は、平坦部から矩形状に突出するものでないことから、突起部と各辺端部の境界や突起部と平坦部の境界に応力集中することがない。ここで、突起部を辺の両端近傍に各々1つずつ有する場合に、突起部と辺の端部の接続は、突起部と辺の端部を、平坦部を介して接続しても、突起部と辺の端部を直接接続しても良い。
上記a/bの値は、0.65以上0.85以下が好ましく、0.70以上0.80以下がより好ましい。
一方、このうちの、最小膜厚aは、30μm以上200μm以下が好ましく、50μm以上170μm以下がより好ましく、80μm以上140μm以下がさらに好ましく、90μm以上120μm以下が特に好ましい。
また、突起部の最大膜厚もしくは突起部の最大膜厚の平均bは、30μm以上350μm以下が好ましく、40μm以上250μm以下がより好ましく、50μm以上200μm以下がさらに好ましい。また、平均bは、60μm以上3200μm以下が好ましい。
また、突起部の高さ、すなわち、平坦部表面から突起部最大高さ部分までの距離(b-a)は、ギャップ面積を十分に確保して冷却効率を向上させるため、30μm以上3000μm以下が好ましく、50μm以上300μm以下がより好ましい。また、前記距離は、20μm以上300μm以下であることも好ましい。
本発明における突起部の断面形状は、図1~8に示すように、順次厚みが増し、突起部の極大点を過ぎると逆に、順次厚みが減少する突起部が好ましく、いわゆる頂点を1つ有する山形の形状の突起部が好ましい(この場合、最大高さは頂点部分となる。)。すなわち、突起部の頂点(極大点に向かって、一時平坦になってもよいが、順次増大、言い換えると、減少を含まないで、順次増大し、極大点である頂点)を過ぎると、増大することなく、順次減少するカーブの突起部が好ましい。
なお、1つの突起部の底辺を占める割合は、辺の長さをLとした場合、L/2~L/10が好ましい。
(突起部の配置)
本発明の絶縁ワイヤの突起部の配置は、以下の1)~3)が好ましい。
1)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の各々に、突起部を1つずつ有する(例えば、図4、7)。このように突起部が配置されることにより、コイル加工する際に、絶縁ワイヤをエッジ方向およびフラット方向のどちらに曲げた時にも所望のギャップ面積を効率的に確保することができる。
2)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の各々に、突起部を2つずつ有する(例えば、図2)。このように突起部が配置されることにより、絶縁ワイヤを積み重ねる場合において、絶縁ワイヤ同士を規定された位置に安定させることができ、モータとして車載されたときの振動に強くなる。
3)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分に突起部を有する(例えば、図5)。このように突起部が配置されることにより、スロット内において、絶縁ワイヤとコアの間にスペースができるため、コイルエンド以外でも効果的に冷却することが可能になる。
なお、本願明細書では、「辺」とは上記曲率半径rを持つ角部を含まない、いわゆる突起部を設ける前の直線部分のみを示す。
本発明の絶縁ワイヤにおいて、1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、突起部を有する場合、これらの突起部のa/bの値を同じ値にしても、互いに異なった値にしても構わない。この場合、断面形状で、対向する2つの辺を、突起部の配置に関しては、対向する2つの辺の中心点または中心線に対して、点対称または線対称であることが好ましい。突起部の高さについては、それぞれの辺において、あるいはそれぞれの突起部において異なるものでもかまわないが、同一の辺に突起部が2つある場合は、それぞれの突起部の高さは、絶縁ワイヤの使用時を想定すると同一であることが好ましい。
ここで、本発明の絶縁ワイヤの断面において、1つの辺に突起部を1つ有する場合、辺の中央近傍に有するのが好ましい。
一方、1つの辺に少なくとも2つの突起部を有する場合は、突起部を辺の両端近傍に各々1つ有することが好ましい。また、1つの突起部を辺の端近傍に有し、他の1つの突起部を辺の中央から該辺の端までの中間点より突起部を有さない側の端までの間に有することが好ましい。また、辺の中央から辺の端までの中間点から辺の両端までの間にそれぞれ1つ有することが好ましい。
1つの辺に少なくとも2つの突起部を有する場合、なかでも、突起部を辺の両端近傍に各々1つ有するか、または辺の中央から辺の端までの中間点から辺の両端までの間に左右それぞれ1つ有することが好ましい。
なお、辺の中央近傍とは、辺の長さをLとした場合、辺の中央及び中央から±L/10の範囲を意味する。本発明においては、突起部の極大点を辺の中央点に設けるのが好ましい。
一方、辺の端近傍とは、辺の末端からL/10の範囲を意味する。本発明においては、突起部の極大点を辺の端近傍に設けるのが好ましい。
このような断面形状の熱可塑性樹脂層(A)は、所望の断面の形状と相似形の押出ダイを用いて、押出機で、押出被覆することで形成できる。
本発明の絶縁ワイヤにおいて、特性に影響を及ぼさない範囲で、押出被覆樹脂層を得る原料に、結晶化核剤、結晶化促進剤、気泡化核剤、酸化防止剤、帯電防止剤、紫外線防止剤、光安定剤、蛍光増白剤、顔料、染料、相溶化剤、滑剤、強化剤、難燃剤、架橋剤、架橋助剤、可塑剤、増粘剤、減粘剤、およびエラストマー等のうちの少なくとも1種を配合してもよい。また、得られる絶縁ワイヤに、これらの添加剤を含有する樹脂からなる層を積層してもよいし、これらの添加剤を含有する塗料をコーティングしてもよい。
<絶縁層(B)>
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体と熱可塑性樹脂層(A)の間に、耐熱性の付与および導体の絶縁性を効果的に確保するため、エナメル焼付け層として、熱硬化性の樹脂からなる絶縁層(B)を少なくとも1層有してもよい。
なお、本発明の絶縁ワイヤにおいて、1層とは、層を構成する樹脂および含有する添加物が全く同じ層を積層した場合は同一層とするものである。同一樹脂で構成されていても添加物の種類や配合量が異なる等、層を構成する組成物が異なる層は、互いに別の層としてカウントする。
これは、エナメル焼付け層以外の他の層においても同様である。
エナメル焼付け層は、樹脂ワニスを平角導体上に複数回塗布、焼付けして形成したものである。エナメル焼付け層は、必要に応じ酸化防止剤、帯電防止剤、紫外線防止剤、光安定剤、蛍光増白剤、顔料、染料、相溶化剤、滑剤、強化剤、難燃剤、架橋剤、架橋助剤、可塑剤、増粘剤、減粘剤、およびエラストマーなどのうちの少なくとも1種を含有してもよい。樹脂ワニスを塗布する方法は常法でよく、例えば、導体形状の相似形としたワニス塗布用ダイスを用いる方法がある。これらの樹脂ワニスを塗布した平角導体はやはり常法にて焼付炉で焼付けされる。具体的な焼付け条件はその使用される炉の形状などに左右されるが、およそ8mの自然対流式の竪型炉であれば、400~500℃にて通過時間を10~90秒に設定することにより達成することができる。
樹脂ワニスは、熱硬化性樹脂をワニス化させるために有機溶媒等を使用するが、有機溶媒としては、熱硬化性樹脂の反応を阻害しない限りは特に制限はなく、例えば、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAC)、ジメチルスルホキシド、N,N-ジメチルホルムアミド等のアミド系溶媒、N,N-ジメチルエチレンウレア、N,N-ジメチルプロピレンウレア、テトラメチル尿素等の尿素系溶媒、γ-ブチロラクトン、γ-カプロラクトン等のラクトン系溶媒、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル系溶媒、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム系溶媒、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒、スルホラン等のスルホン系溶媒などが挙げられる。
これらの有機溶媒のうち、高溶解性、高反応促進性等の点でアミド系溶媒、尿素系溶媒が好ましく、加熱による架橋反応を阻害しやすい水素原子を有さないため、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルエチレンウレア、N,N-ジメチルプロピレンウレア、テトラメチル尿素がより好ましく、N-メチル-2-ピロリドンが特に好ましい。
なお、熱硬化性樹脂層(B)であるエナメル焼付け層は、平角導体の外周に直接設けてもよく、中間層(A)を介して設けてもよい。
熱硬化性樹脂ワニスの熱硬化性樹脂は、通常のエナメル線に用いられている材料を使用することができ、例えば、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ポリアミド、ホルマール、ポリウレタン、熱硬化性ポリエステル(PEst)、H種ポリエステル(HPE)、ポリビニルホルマール、エポキシ樹脂、ポリヒダントインが挙げられる。
好ましくは耐熱性において優れる、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル等のポリイミド系樹脂である。紫外線硬化樹脂などを用いてもよい。
また、これらの熱硬化性樹脂は、1種のみを単独で使用してもよく、また、2種以上を混合して使用してもよい。また、複数層の熱硬化性樹脂層(B)からなる積層エナメル焼付け層の場合、各層で互いに異なった熱硬化性樹脂を用いても、異なった混合比率の熱硬化性樹脂を使用してもよい。
本発明の絶縁ワイヤにおいて、熱硬化性樹脂として、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、熱硬化性ポリエステル(PEst)およびH種ポリエステル(HPE)からなる群より選択される熱硬化性樹脂が好ましく、なかでもポリイミド(PI)またはポリアミドイミド(PAI)が好ましく、ポリイミド(PI)が特に好ましい。
ここで、H種ポリエステル(HPE)とは、芳香族ポリエステルのうちフェノール樹脂などを添加することによって樹脂を変性させたもので、耐熱クラスがH種であるものを言う。市販のH種ポリエステル(HPE)は、Isonel200(米スケネクタディインターナショナル社製 商品名)等を挙げることができる。
ポリイミド(PI)は、特に制限はなく全芳香族ポリイミドおよび熱硬化性芳香族ポリイミドなど任意のポリイミド樹脂を用いることができる。例えば、市販品(ユニチカ社製、商品名:Uイミド、宇部興産社製、商品名:U-ワニス、東レ・デュポン社製、商品名:#3000など)が挙げられる。また、常法により、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミン類を極性溶媒中で反応させて得られるポリアミド酸溶液を用い、被覆を形成する際の焼き付け時の加熱処理によってイミド化させることによって得られるものを用いることができる。
ポリアミドイミド(PAI)の具体例として、市販品(例えば、日立化成社製、商品名:HI406など)を挙げることができる。また、常法により、例えば極性溶媒中でトリカルボン酸無水物とジイソシアネート類を直接反応させて得たもの、あるいは、極性溶媒中でトリカルボン酸無水物にジアミン類を先に反応させて、まずイミド結合を導入し、次いでジイソシアネート類でアミド化して得たものを用いることができる。
なお、ポリアミドイミド(PAI)は、他の樹脂に比べ熱伝導率が低く、絶縁破壊電圧が高く、焼付け硬化が可能であるという特性を有する。
焼き付け炉を通す回数を減らし、平角導体とエナメル焼付け層との接着力が極端に低下すること防ぐため、エナメル焼付け層の厚さは、80μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、50μm以下が特に好ましい。また、絶縁ワイヤとしてのエナメル線に必要な特性である、耐電圧特性や、耐熱特性を損なわないためには、エナメル焼付け層がある程度の厚さである方が好ましい。エナメル焼付け層の下限の厚さはピンホールが生じない程度の厚さであれば特に制限するものではなく、好ましくは3μm以上、更に好ましくは6μm以上である。
エナメル焼付け層は1層であっても複数層であってもよい。
(絶縁ワイヤの製造方法)
本発明の絶縁ワイヤの製造方法は、個々の層で説明した通りである。
本発明の絶縁ワイヤは、各種電気・電子機器等、耐電圧性や耐熱性を必要とする分野に利用可能である。例えば、本発明の絶縁ワイヤはコイル加工してモータやトランスなどに用いられ、高性能の電気・電子機器を構成できる。特にHV(ハイブリッドカー)やEV(電気自動車)の駆動モータ用の巻線として好適に用いられる。
以下に、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、これらは本発明を制限するものではない。
(実施例1)
図1を参照して記載する。
平角導体1には断面平角(長辺3.2mm×短辺2.4mmで、四隅の面取りの曲率半径r=0.3mm)の導体(酸素含有量15ppmの銅)を用いた。
平角導体1を心線とし、押出機のスクリューは、30mmフルフライト、L/D=20、圧縮比3を用いて、以下の様に押出被覆樹脂層を形成した。
熱可塑性樹脂層2〔押出被覆樹脂層2〕の形成に際しては、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1)を用いた。押出被覆樹脂層2の断面の外形の形状が図1に示す形状と相似形になるように、押出ダイを用いてPEEKの押出被覆を行い、実施例1の絶縁ワイヤを作製した。
(実施例2)
図2を参照して記載する。
平角導体1には断面平角(長辺3.2mm×短辺2.4mmで、四隅の面取りの曲率半径r=0.3mm)の導体(酸素含有量15ppmの銅)を用いた。
熱硬化性樹脂層3〔内側絶縁層3〕の形成に際しては、平角導体1上に形成される熱硬化性樹脂層3の形状と相似形のダイスを使用した。ポリイミド樹脂(PI)ワニス(ユニチカ社製、商品名:Uイミド)を平角導体1へコーティングし、450℃に設定した炉長8mの焼付炉内を、焼き付け時間15秒となる速度で通過させ、これを数回繰り返すことで、熱硬化性樹脂層3を形成し、エナメル線を得た。
得られたエナメル線を心線とし、押出機のスクリューは、30mmフルフライト、L/D=20、圧縮比3を用いて、以下の様に押出被覆樹脂層2を形成した。
押出被覆樹脂層2はポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1)を用いた。押出被覆樹脂層2の断面の外形の形状が、図2に示す形状と相似形になるように、押出ダイを用いてPEEKの押出被覆を行った。熱硬化性樹脂層3の外側に押出被覆樹脂層2を有する実施例2の絶縁ワイヤを作製した。
(実施例3~9及び比較例1~4)
表1に示す構成を採用したこと以外は、実施例1または2と同様にして、実施例3~9及び比較例1~4の絶縁ワイヤを作製した。
上記のようにして作製した各絶縁ワイヤに対して、下記の評価を行った。得られた結果をまとめて、下記表1に示す。
(ギャップ面積の測定)
ギャップ面積はJIS C 3216-2に記載の通りマイクロメータにて寸法を測定し、得られた2つの方向からA辺×B辺にて絶縁ワイヤがコイル成型後にとり得る最大の断面積(図3を参照して説明すると、「1つの短辺に対応する部分の表面の突起部の頂点から、対向する短辺に対応する部分の表面の突起部の頂点までの長さ」に「1つの長辺に対応する部分の表面の突起部の頂点から対向する長辺に対応する部分の表面の突起部の頂点までの長さ」を掛けて算出される面積)を算出した。さらに、樹脂包埋および研磨後の断面マイクロスコープ観察によって絶縁電線の断面積を実測した。(最大の断面積)-(断面積実測値)を冷却用の媒体が通るギャップ面積と定義する。
評価基準を以下に示す。A~Cが合格である。
(評価基準)
A:30mm以上
B:1mm以上30mm未満
C:0.2mm以上1mm未満
D:0.2mm未満
(屈曲性試験)
(1)20%事前伸張後エッジワイズ試験
エッジワイズ曲げ試験はJIS C 3216-3に従い実施した。より厳しい環境で使用することを想定し、絶縁ワイヤは、上記作製後の長さを100%として事前に120%になるまで伸張したものを用いた。絶縁ワイヤを、それぞれ切込み(円周方向に幅1.0μm、深さ5μm)部分が中心となるようにΦ1.5mmのSUS製の棒に巻き付けた。熱可塑性樹脂層(A)が裂け、亀裂が導体の面全体に進展した絶縁ワイヤを「C」、熱可塑性樹脂層(A)に亀裂が進展したが、導体までは達しない絶縁ワイヤを「B」、切込み部分も一緒に伸びて切込みが進展していなかった絶縁ワイヤを「A」とし、3段階で評価した。なお、「B」以上が合格レベルである。
(2)20%事前伸張後フラットワイズ試験
フラットワイズ曲げ試験はJIS C 3216-3に従い実施した。より厳しい環境で使用することを想定し、絶縁ワイヤは、上記作製後の長さを100%として事前に120%になるまで伸張したものを用いた。絶縁ワイヤを、それぞれ切込み(円周方向に幅1.0μm、深さ5μm)部分が中心となるようにΦ1.5mmのSUS製の棒に巻き付けた。熱可塑性樹脂層(A)が裂け、亀裂が導体の面全体に進展した絶縁ワイヤを「C」、熱可塑性樹脂層(A)に亀裂が進展したが、導体までは達しない絶縁ワイヤを「B」、切込み部分も一緒に伸びて切込みが進展していなかった絶縁ワイヤを「A」とし、3段階で評価した。なお、「B」以上が合格レベルである。
(導体占積率)
上述の導体占積率は、[(導体の断面積)/(断面積実測値)]×100(%)として算出した。絶縁電線の断面積および導体の断面積は、上述のギャップ面積の測定と同様に、樹脂包埋および研磨後の断面マイクロスコープ観察によってを実測した。評価基準を以下に示す。
-評価基準-
A:94%を超え100%以下
B:90%を超え94%以下
C:86%を超え90%以下
Figure 0007423509000001
<表の注>
熱可塑性樹脂層(A)の厚さは、平坦部の厚さである。
「傾斜角度」は、突起部の側面が、前記突起部を有する基準面に対して傾斜角度の傾斜面を有することを意味する。
「連続」とは、突起部が、絶縁ワイヤの長手方向に連続して形成されていることを意味し(図10参照)、「不連続」とは、突起部が、絶縁ワイヤの長手方向に連続して形成されていないことを意味する(図11参照)。
実施例3の熱可塑性樹脂層(A)は、80μmのPPS層及び80μmのPEEK層からなる。
(熱硬化性樹脂)
PI:ユニチカ社製、商品名:Uイミド
PAI:日立化成社製、商品名:HI406シリーズ
(熱可塑性樹脂)
PEEK:ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1
PPS:DIC社製、商品名:FZ-2100
TPI:三井化学社製、商品名:オーラムPL450C
PEN:帝人社製、商品名:テオネックスTN8050SC
表1から明らかなように、比較例1と4は、曲率半径が本発明の規定を満たさず、総合評価が不合格であった。また、比較例2は、突起部が連続でないため総合評価が不合格であった。また、比較例3は、突起部を有さないため総合評価が不合格であった。
これに対して、本発明の絶縁ワイヤ(実施例1~9)はいずれも総合評価が合格であった。
上記の結果から、本発明の絶縁ワイヤは、コイル、特にモーターコイルなどの電気・電子機器に好ましく適用できることがわかる。
本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。
本願は、2018年2月16日に日本国で特許出願された特願2018-25805に基づく優先権を主張するものであり、これはいずれもここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。
10 絶縁ワイヤ
1 平角導体
2 熱可塑性樹脂層(押出被覆樹脂層)
3 熱硬化性樹脂層(絶縁層)
4 曲部
5 傾斜面

Claims (10)

  1. 平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する絶縁ワイヤであって、
    前記熱可塑性樹脂層(A)が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレート、及び/又は変性ポリエーテルエーテルケトンであり、
    前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有し、
    前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部が頂点を1つ有する山形の形状であり、
    前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部とが曲率半径0.01~0.75mmの曲部を形成し、
    前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して2~80°の傾斜面を有していることを特徴とする絶縁ワイヤ。
  2. 前記頂点を1つ有する山形の形状において、該頂点の両側の熱可塑性樹脂層(A)表面の形状が変曲点を有する、請求項1に記載の絶縁ワイヤ。
  3. 前記突起部の高さが、30μm以上3000μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁ワイヤ。
  4. 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を1つずつ有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
  5. 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を2つずつ有することを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
  6. 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分の表面に前記突起部を有する請求項1~のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
  7. 前記平角導体と前記熱可塑性樹脂層(A)との間に絶縁層(B)を有し、該絶縁層(B)が、熱硬化性樹脂からなる請求項1~のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
  8. 前記熱可塑性樹脂層(A)の平坦部の表面粗さRaが0.01μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
  9. 請求項1~8のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤが、巻線加工されたことを特徴とするコイル。
  10. 請求項9に記載のコイルを用いてなることを特徴とする電気・電子機器。
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